單相準(zhǔn)阻抗源AC-AC變換器

房緒鵬，許玉林，趙志遠(yuǎn)，李 輝

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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單相準(zhǔn)阻抗源AC-AC變換器

房緒鵬，許玉林，趙志遠(yuǎn)，李 輝

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

為克服傳統(tǒng)AC-AC變換器的不足，研究設(shè)計(jì)了一種新型的準(zhǔn)阻抗源AC-AC變換器電路拓?fù)洌治隽嗽撟儞Q器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、電壓增益等。采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法來(lái)改變電路中雙向開(kāi)關(guān)的占空比以調(diào)節(jié)輸出電壓，應(yīng)用Matlab/Simulink下的仿真模型仿真驗(yàn)證了該電路的電路特性；在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)電路，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。計(jì)算機(jī)仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了理論分析的正確性和電路的可行性。

AC-AC；準(zhǔn)阻抗源；脈沖寬度調(diào)制；占空比；升降壓

交流調(diào)壓器在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，現(xiàn)有的交流調(diào)壓器通常有電磁變壓器、相控式交流調(diào)壓器、斬控式交流調(diào)壓器等形式。電磁變壓器消耗大量的鐵、銅等材料，且笨重、體積大；相控式交流調(diào)壓器采用晶閘管作為開(kāi)關(guān)器件，功率因數(shù)偏低，調(diào)壓范圍?。粩乜厥浇涣髡{(diào)壓器有buck、boost、buck-boost、cuk、flyback、forward等電路拓?fù)湫问?，采用全控型電力電子器件作為功率開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)靈活的升降壓，以及輸入/輸出的隔離，但當(dāng)電路中互補(bǔ)式工作的開(kāi)關(guān)共態(tài)導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)會(huì)造成電源短路或開(kāi)關(guān)器件的過(guò)電壓。阻抗源/準(zhǔn)阻抗源變換器誕生以來(lái)，以其獨(dú)特的電路結(jié)構(gòu)和優(yōu)良電路特性引起電力電子技術(shù)領(lǐng)域人們的廣泛關(guān)注，成為本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-8]。準(zhǔn)阻抗源AC-AC變換器可以克服前述交流調(diào)壓器的缺陷，具有優(yōu)良的電路特性。本文設(shè)計(jì)了一種單相電壓型準(zhǔn)阻抗源AC-AC變換器電路拓?fù)洌治隽似潆娐方Y(jié)構(gòu)、工作原理、電壓增益等，并用仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析和設(shè)計(jì)電路的正確性。

圖1 雙向開(kāi)關(guān)示意圖

Fig.1 Bidirectional switch

圖2 準(zhǔn)阻抗源AC-AC電路拓?fù)?/p>

Fig.2 Quasi impedance source AC-AC topology

1 準(zhǔn)阻抗源變換器的電路分析

準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)對(duì)稱的電容器和電感組成，橋臂中間并聯(lián)有雙向的電力電子開(kāi)關(guān)，該雙向開(kāi)關(guān)既可以由全控型器件IGBT模塊或Power MOSFET面對(duì)面串聯(lián)組成，也可以由兩個(gè)全控型器件反并聯(lián)構(gòu)成，使變換器對(duì)交流電壓構(gòu)成一個(gè)回路，雙向開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示，準(zhǔn)阻抗源AC-AC電路拓?fù)淙鐖D2所示。

本文選用了圖1(a)所示的雙向開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)阻抗源AC-AC變換器共有四種工作狀態(tài)，以圖2中開(kāi)關(guān)S1作為參考開(kāi)關(guān)，假設(shè)電路中各器件都是理想器件，電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)下,因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于交流輸入電壓的頻率，所以一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸入電壓可以看成是直流。電路采用脈寬寬度調(diào)制式(PWM)控制方式，兩個(gè)雙向電力電子開(kāi)關(guān)互補(bǔ)式工作，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)S1、S2交替導(dǎo)通和關(guān)斷。

圖3所示四種工作狀態(tài)中，工作狀態(tài)1如圖3(a)，開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，共有三個(gè)電壓回路，C2和Vi給L1充電，C1和Vi給L2充電，同時(shí)Lf給負(fù)載供電，ILf遞減，IL遞增，此時(shí)電壓關(guān)系有：

Vi+Vc1+VL2=0；Vi+Vc2+VL1=0；V0=VLf。

(1)

工作狀態(tài)2如圖3(b)，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，開(kāi)關(guān)狀態(tài)和狀態(tài)1中相同，如果Lf不足夠大，ILf會(huì)發(fā)生反向，由電容器Cf充電，電壓回路關(guān)系和狀態(tài)1相同。

圖3 電路的四種工作狀態(tài)

工作狀態(tài)3如圖3(c)，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，如果開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷之前，ILf是反向的，電感Lf將向電壓源和阻抗源網(wǎng)絡(luò)釋放能量。因?yàn)檩斎腚妷涸?、阻抗源網(wǎng)絡(luò)和電感Lf是串聯(lián)關(guān)系，電容器C1和C2分別由電感L1和L2充電，因此，電感電流IL是線性遞減的，ILf反向流通而且線性遞增，回路電壓關(guān)系為：

Vi+VL1+VL2=V0-VLf；VL1=Vc1；VL2=Vc2。

(2)

工作狀態(tài)4如圖3(d)，開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，電壓源Vi和阻抗源網(wǎng)絡(luò)中的電感將向Lf和負(fù)載充電。同時(shí)，電容器C1和C2將分別由電感L1和L2充電，因此，ILf正向流通而且線性遞增，IL線性遞減，狀態(tài)4下的電壓關(guān)系同樣符合公式(2)。

由上面的分析可以看出：準(zhǔn)阻抗源AC-AC電路基本工作狀態(tài)分為兩種：開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通S2關(guān)斷和開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷S2導(dǎo)通，實(shí)際上前述模式1和模式4是這種變換器的兩種基本工作模式，這兩種模式是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的穩(wěn)定狀態(tài)。

2 準(zhǔn)阻抗源AC-AC變換器輸入/輸出電壓關(guān)系

結(jié)合上述對(duì)電路工作狀態(tài)的分析，假設(shè)開(kāi)關(guān)S1的占空比為D，在t0時(shí)刻導(dǎo)通，t1時(shí)刻關(guān)斷，導(dǎo)通時(shí)間T0；S2占空比為1-D，在t1時(shí)刻導(dǎo)通，t2時(shí)刻關(guān)斷，導(dǎo)通時(shí)間T1。開(kāi)關(guān)周期為T(mén)s，電感電壓在一個(gè)電源周期內(nèi)平均值應(yīng)該為零，根據(jù)式(1)、(2)可以得到：

(3)

(4)

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容器電壓近似保持不變，有：

(5)

(6)

聯(lián)立式(1)、(2)、(3)、(5)得到

(7)

聯(lián)立式(1)、(2)、(4)、(6)得到

(8)

由式(7)、(8)得到：

(9)

(10)

由式(9)、(10)得到

(11)

電感Lf電壓在一個(gè)電源周期內(nèi)平均值應(yīng)該為零，有

(12)

聯(lián)立式(11)、(12)推出

(13)

3 仿真結(jié)果

通過(guò)Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證準(zhǔn)阻抗源AC-AC變換器，仿真參數(shù)設(shè)為Vi=24 V，fs=20 kHz，準(zhǔn)阻抗源網(wǎng)絡(luò)L1=L2=300 μH，C1=C2=100 μF，Lf=700 μH，負(fù)載R=10 Ω，負(fù)載電容Cf=100 μF，在不同占空比的情況下對(duì)電路的輸入和輸出關(guān)系進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果如圖4～6所示。其中，占空比分別為D=0.4和D=0.7，輸出電壓波形縱坐標(biāo)單位為伏(V)。在圖4中，輸入電壓幅值為24 V,在開(kāi)關(guān)占空比為0.4的情況下，輸出電壓與輸入電壓同相，幅值為71.5 V，有效值為50.56 V，其理論值幅值為72 V，有效值為50.91 V；圖5中，輸入電壓幅值為24 V,在開(kāi)關(guān)占空比為0.7的情況下，輸出電壓與輸入電壓反相，幅值為18.1 V，有效值為12.8 V，其理論值幅值為18 V，有效值為12.73 V。圖6中，占空比由0.2調(diào)整到0.3過(guò)程中，輸出電壓變化平滑，沒(méi)有明顯的過(guò)渡過(guò)程。仿真結(jié)果驗(yàn)證了前述理論分析的正確性。

圖4 D=0.4輸入輸出電壓波形

Fig.4 Input/output voltage waveform whenD=0.4

圖5 D=0.7輸入輸出電壓波形

Fig.5 Input/output voltage waveform whenD=0.7

圖6 占空比變化時(shí)電壓調(diào)整過(guò)程

Fig.6 The voltage regulating process whenDis stepped

圖7 實(shí)驗(yàn)電路連接圖

Fig.7 Experimental circuit connection diagram

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上搭建了實(shí)驗(yàn)電路，電路實(shí)物圖如圖7所示，控制部分由TMS320F2812產(chǎn)生四路PWM信號(hào)，四路信號(hào)分成兩組，每組內(nèi)信號(hào)相同，兩組信號(hào)互補(bǔ)，中間設(shè)置驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)部分采用北京落木源公司生產(chǎn)的KA962D驅(qū)動(dòng)電路,開(kāi)關(guān)管的型號(hào)選用SGH80N60UFD Ultrafast IGBT。用示波器記錄了D=0.2和D=0.8時(shí)實(shí)驗(yàn)電路的輸入和輸出波形，實(shí)驗(yàn)電路和輸入/輸出電壓波形如圖8、9所示。圖8為開(kāi)關(guān)占空比為D=0.2時(shí)的輸入和輸出電壓波形，圖中輸入電壓幅值為28 V，輸出電壓幅值為44 V，理論值為37.3 V；圖9為開(kāi)關(guān)占空比為D=0.8時(shí)的輸入和輸出電壓波形，圖中輸入電壓幅值為34 V，輸出電壓幅值為11 V，理論值為11.3 V；考慮到輸入、輸出并非純正弦波形，其中含有諧波成分，而理論值是針對(duì)基波而言的，因此實(shí)驗(yàn)波形驗(yàn)證了前述理論分析和計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)論，誤差在允許的范圍內(nèi)。

圖8 D=0.2時(shí)輸入輸出波形(Ui，U0：20V/格)

Fig.8 The input and output voltage waveform whenD=0.2

圖9 D=0.8時(shí)輸入輸出電壓波形(Ui：10V/格 ，U0：5V/格)

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的準(zhǔn)阻抗源AC-AC變換器，基于傳統(tǒng)的Z源變換器進(jìn)行了優(yōu)化，介紹了其電路拓?fù)?，分析了其工作狀態(tài)，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該變換器的可行性。這種新型的電路拓?fù)渫瑯舆m用于雙向DC-DC功率變換，使得這種新型變換器的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛和靈活，由于電路拓?fù)涔逃械膬?yōu)點(diǎn)，該電路具有較高的可靠性。該AC-AC變換器還可用來(lái)調(diào)節(jié)線路電壓，以克服電壓跌落、浪涌和負(fù)載波動(dòng)造成的故障，擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯：李 磊)

Single Phase Quasi Impedance Source AC-AC Converter

FANG Xupeng,XU Yulin,ZHAO Zhiyuan,LI Hui

(College of Electrical Engineering and Automation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

In order to overcome the shortcomings of traditional AC-AC converters,a novel quasi impedance AC-AC converter was designed and its circuit structure,working principle and voltage gain were analyzed. The output voltage was regulated by using pulse width modulation (PWM) method to change the duty ratio of the bidirectional power switch of the circuit. In order to verify the circuit characteristics of the converter,a prototype was built based on the simulation conducted by using Matlab/Simulink,and some verification experiments were done. The results of computer simulation and prototype experiments verified the validity of the theoretical analysis and the feasibility of the circuit.

AC-AC; quasi impedance source; PWM; duty ratio; buck-boost

2015-11-30

房緒鵬(1971—)，男，山東汶上人，副教授，博士后，主要研究方向?yàn)樽杩乖醋兞髌骷捌鋺?yīng)用，現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)和新興能源利用等.E-mail:xpfang69@163.com

TP397

1672-3767(2016)05-0082-05